英语原文共 8 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
基于暖通空调系统的空气-水热回收概念的影响
因素——质量流量的影响
在最近的30年里，由经济和人口的增长导致世界经历了能源和燃料消耗的巨大变化。这使得可再生能源和能量回收成为建筑设计所必要，而非可有可无的。目前的工作则关注的是能量回收和加热之间的联系，通风和空气调节暖通空调的研究，旨在将热回收的概念应用于基于制冷循环的暖通空调应用领域。特别是利用冷凝器的热空气中的剩余能量来加热或者是预热生活用水。在回收系统中的热交换器采用的是同心管式热交换器。整个系统的热建模以及相应的迭代代码会在文中提出和介绍。运用执行代码计算得到相应数量级节约的能量，以及实现暖通空调在应用中的管理。通过基于不同水和空气流速的参数化分析，表明根据质量流速和空调系统的冷却负荷可以将水从25度加热到70度。最有效的配置是通过降低冷凝器风扇的空气流量。
关键词：废热回收、暖通空调、热建模、参数化分析
- 介绍
减少燃料消耗并生产能源的必要性已经极力升级发展成为可再生能源和能源管理的概念[1],[2]和[3]。废热回收是一个必经的路线，主要从各种应用程序中捕获热量生成进行能源管理，不同于太阳能和风能这些自然能源，废热回收需要一定的成本。因此,废热回收或热量收集已经得到了强烈关注，就是说，要解决在没有使用高成本的电力、燃料和太阳能等的情况下如何加热水的问题[4]和[5]。
废热回收就是指热量从高温源到低温源转移的能量收集，使系统能有效而经济地运行。根据系统中存在着的高温液体或气体，废热回收/捕获在各应用设备中都能进行，比如，内燃机、热泵、冷水机、排气管、冷却塔和发电机[7],[8],[9],[10]和[11]。
另一方面，加热、通风和空调暖通空调系统已经从以往的奢侈品转变为现在人们的必需品，因此系统中配备的组件需要管理与改进[12],[13]和[14]。通过理论研究和实验，发现在加热，通风暖通空调系统中大量的热量没有被利用起来而散失掉在空气中[15]和[16]。此外，废热回收技术将提供一个净化空气、更好地调节环境温度及提高能源效率的最佳方案[17]。在这样的背景下，提出一个新的概念，就是结合能量回收和暖通空调技术，以达到能源利用率最大化的目的。关键点在于利用冷凝器中空气的多余热量来加热或预热住宅水。为达到这个目的，就要建立起一个完整的热系统模型以及提出相应的迭代代码。水的流速、空气流速和空调系统的制冷循环过程通过参数化分析的方式进行模拟。
文章将在第二节介绍热系统的建模以及迭代过程的性能计算，并在第三节给出最后的结果和分析。最后的结论会在第四节进行说明。
- 实验设备及研究方法
暖通空调系统中的基本制冷循环（图1）
在一个循环中，低温低压的制冷蒸汽进入压缩机，压缩成高温高压的蒸汽。高温高压的蒸汽再通过冷凝器，风扇将制冷蒸汽冷却，使制冷剂发生从气相到液相的状态改变，放出热量。制冷剂再经过一个膨胀阀以降低压力和温度，使其在蒸发器中顺利完成蒸发过程。蒸发器中低温低压的液态制冷剂蒸发成低温低压的制冷蒸汽，蒸发过程所需的热量从室内空气中吸收，导致室温降低，达到制冷的目的。而低温低压的制冷蒸汽再进入压缩机，进行下一个循环。
能量回收系统的原理（图2）就是收集空调系统冷凝器中的废热来加热水。
冷凝器风扇产生的气流被制冷剂冷凝放出的热量加热从而实现换热，即为同心管式热交换器。当空气经过换热器后，出来的热空气可加热冷水以供生活需要。
现阶段研究的换热器是逆流同心管式热交换器，内径Di,外径D0和长度L。用下面提出的热系统模型来进行比较简洁清晰的演示，水被认为是流动在换热器的圆管之间而热空气是流动在冷凝器的圆形管道中，以此构成这样的一种换热器。在经过计算后，该系统的传热过程可以进行逆向模拟，同时也可以得到相应的控制方程。就考虑这种类型的换热器并且忽略其圆管和周围空气之间传递热量损失的话，系统能量守恒关系式可以写成 [ 18 ]：
上式中，是水的质量流量，是空气的质量流量，是水的比热容，是空气的比热容，和分别是水和空气的进口温度，U是两种流体之间的总传热系数，A是两流体之间的有效传热面积，是两种流体之间的对数平均温差，可由下式计算得到：
在大多数热交换器应用程序中,薄壁大型电导率之间通常是使用两个液体流,然后整体传热系数和传热面积可以计算出:
上式中的hw和ha分别是在传热计算中水和空气流动的对流换热系数，参见[18]。下面将作出详细的计算。
流体的流动状态有两种，分别是层流和湍流。层流和湍流内部和外部流动的物理参数详细如下：
1.内部流动
当内部流动是层流时，对流传热关联式可表示如下：
上式中，Nui为内部流动的努塞尔数，ki为内部流动的导热系数，Pri为内部流动的普朗特数，Rei为内部流动的雷诺数。流体的热物理性质是由流体在进口处和出口处的平均温度决定。雷诺数可由下式计算：
上式中，内部流动的运动粘度系数。
另外，当内部流动是湍流时，对流传热关联式[18]:
上式中，是内部流动在表面温度下的运动粘度系数；为管内湍流流动的阻力系数，按以下公式计算：
- 外部流动
如果外部流动是层流，对流传热系数可以根据表1计算。在表1中，定义为外部流动的努塞尔数：
上式中，为外部流动的导热系数。
表1.
层流掠过圆管的怒塞尔数值[18].
：
|
|
0.05 |
0.1 |
0.25 |
0.5 |
1 |
|
|
17.46 |
11.56 |
7.37 |
5.74 |
4.86 |
如果外部流动为湍流[18]:
上式中，是外部流动的普朗特数，是外部流动在平均温度下的运动粘度系数，是外部流动在表面温度下的运动粘度系数，是外部流动的雷诺数，可由下式计算：
上式中，是外部流动的质量流量。
为管外湍流流动的阻力系数，按以下公式计算：
现在要计算热量从冷凝器热空气中传递过来的传热速度，首先要计算出口温度，然后是。（1）、（2）、（3）和（4）式要重新计算，来获得一个只含有出口温度未知数的方程：
当给出流速，进口温度，对水和空气的换热量，就能对 （19）迭代计算得到出口温度，然后，就可以计算出冷凝器热空气的导热率：
现在，计算空气的质量流量和进口温度，再代入换热器传热过程的公式中。制冷剂在冷凝器中冷凝，向空气释放热量的散热率和制冷剂再蒸发器中蒸发，向空气吸收热量的吸热率是相关的，具有以下关系式：
上式中，是系统驱动压缩机工作而消耗的功。
和是有关联的，可以通过COP这个相关系数建立起它们之间的关系式，如下：
冷凝器的热量平衡方程式可以写成以下形式：
上式中，是制冷剂在冷凝器热空气中获得的能量，f是一个考虑了冷凝器中热损失的修正系数，是空气的密度，是体积流量，是空气的比热容，是空气通过冷凝器之后进入换热器的进口温度，是环境温度。
目前的计算代码开发的操作模式，包括在一个迭代的过程中，在热建模的不同的方程，要有一组输入参数并且可以得到计算的主要输出：换热器的工作性质。图3是一个代码的方案示意图。
使用两个关联物理量分区算法的代码来进行计算：制冷剂在冷凝器中冷凝，放出热量，加热空气，从冷凝器出来的热空气再加热水。代码程序的输入参数：空调系统的性能参数，换热器的性能参数，水和空气的物性参数。
图3 表示的是代码执行操作过程的示意图。程序的第一部分列出了冷凝器中的能量平衡方程式，得出了空气的质量流量和温度。第二部分列出了换热器的能量平衡方程式，在第一部分得出的质量流量和温度是换热器计算的输入量，而水的温度应该是换热器进口端的温度。规划求解迭代,直到达到收敛。
3.结果和分析
水的质量流量影响换热器中的传热过程。实际上，随着水的质量流量的增大，换热速率会增加。然而，改变换热器的出口温度不会相应地改变质量流量，因为它取决于流态类型的相关参数和物性参数,而这些通常随着温度变化而变化。为探明换热器(热回收概念)性能和水的流速之间的关系，开始第一系列的计算，按照水流速度分别在3.52KW、31.65kW 和 63.31kW 这三种情况下从0.01增到到0.1kg/s，同时空气体积流量固定在0.8m2/s来进行试验。图4表示的是不同制冷负荷下，换热器的出口温度和水的质量流量之间的关系。
由于空气的进口温度变高了，随着系统制冷负荷的增加，水的出口温度上升了，而空气的进口温度的增加正是由换热器中更高效的换热效率引起的。当水的质量流量为0.01kg/s时，3.52KW大小的系统制冷负荷相对应的出水温度是304K；增大参数得到，63.31KW大小的系统制冷负荷相对应的出水温度是346.7K.当水的质量流量为0.1kg/s时，系统制冷负荷从3.52KW增大到63.31kW，而水的出口温度从301K增大到 334K 。在另一方面，另一方面，曲线表明，随水的质量流量的增加，出水温度的变化曲线呈现单调的变化。你可以注意到，在每条曲线都可以看成是两条单调曲线相连。第一条单挑曲线是由于水流状态从层流过渡到湍流。第二条变化曲线可以解释两者相互影响的结果。事实上，当质量流量增加时，传热系数和传热率将会增加。然而，大的传热效率需要较大的质量流量的水流。质量流量的增大是导致出口温度降低和增大换热效率的主要因素，这在层流区和湍流区的第二阶段可以看出来。如果增加水的换热速率，同时也增加影响占主导地位的水的质量流量，这会导致在湍流区域的第一部分的情况下增大水的出口温度。然后，在限制质量流量的两种情况下，曲线会发生上述两段单调性的变化。
现在，为了更好地理解进口水的雷诺数与水质量流量之间的关系，我们作出图5来进行分析。
实验表明，发生从层流到湍流的转变，主要看受制冷负荷影响的雷诺数有没有达到2300这个临界值。在其他方面，在不同制冷负荷的情况下，水的流速在过渡层是不一样的。当制冷负荷增大时，过渡层的流速会降低。举个例子来说，当制冷负荷为3.52kW，31.65kW和63.31kW时，对应的过渡层水的流速分别是0.033kg/s，0.026kg/s和0.022kg/s。
3.2.空气质量流量的影响
现在探明换热器(热回收的概念)性能和空气质量流量之间的关系，开始第二系列的计算，按照空气体积分别在0.4m2/s、0.8m2/s、1m2/s和1.2m2/s 这四种情况下，水的质量流量从0.01增到到0.1kg/s，同时系统制冷负荷固定在31.65kW这个值进行试验。图6表示的是在相同制冷负荷为31.65kW，不同空气流速的情况下，换热器的出口温度和水的质量流量之间的函数关系。
我们在图5中可以看出这样的规律，当制冷负荷在一个固定值时，不同的水的质量流量与其相应的空气流速的变化趋势一致的。
水的出口温度呈现单一的曲线变化，在低的空气流速阶段尤其明显。如上图中的0.8m3/s的空气体积流量曲线中，当水的质量流量从0.01kg/s增加到0.03kg/s时，出口温度从318 K降低到303 K。当过渡到湍流状态时，水的出口温度开始增加。当水的质量流量增加到0.04kg/s时，出口温度从303K增加到314 K时，当水的质量流量继续增加到0.1kg/s时，出口温度下降到了308K。再看空气体积流量为0.4m3/s的曲线，当水的质量流量从0.01kg/s增加到0.02kg/s时，出口温度从339 K降低降低到321 K。当过渡到湍流状态时，水的出口温度开始增加。当水的质量流量增加到0.03kg/s时，出口温度增加到331K，当水的质量流量继续增加到0.1kg/s时，出口温度下降到了315K。
值得注意的是，当空气体积流量减小时，曲线的单调性变化情况是一致的，都是发生在水流从层流向湍流状态改变的阶段。在其他方面，在相同的冷却负荷下降低空气的体积流量，在水流中的湍流的过渡转变发生在较低的流速和最小的曲线是固定的。
图7表示的是系统制冷负荷为固定值31.65KW的情况下，水的出口温度随空气体积流量和水的质量流量的变化关系。
值得我们注意的是，空调系统在一个恒定的制冷负荷的情况下，增大空气的体积流量，水的出口温度会降低。现在用图中的例子来说明，当水的质量流量为0.02kg/s（此时水的流动状态表现为层流），空气的体积流量从0.4m3/s增加到1.2m3/s时，出水温度从321 K降低到303 K，总共减少了18K。然而，当水的流动状态表现为湍流时，出水温度随空气体积流量增大而减小的变化情况更加明显。用水的质量流量为0.04kg/s（此时水的流动状态表现为湍流）的例子来说明，当空气的体积流量从
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[147480]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
